題目
Problem
Given function f(x)=(1−x)3e−x4. Find the higher derivative f(2025)(0). (10%)
(6) 見解答.
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求計算函數 f(x) 在 x=0 處的第 2025 階導數值 f(2025)(0)。
- 由於階數極高,直接求導是完全不可行的。標準方法是利用麥克勞林級數(泰勒級數)的展開項係數與高階導數的關係:
f(x)=∑m=0∞cmxm,其中 cm=m!f(m)(0)
因此,一旦我們能在展開式中找出 x2025 項的係數 c2025,就能利用以下關係式求出答案:
f(2025)(0)=2025!⋅c2025
- 進行泰勒展開:
- 多項式部分已是展開形式:(1−x)3=1−3x+3x2−x3。
- 指數部分利用基本展開式 eu=∑n=0∞n!un(令 u=−x4):
e−x4=∑n=0∞n!(−1)nx4n
- 函數 f(x) 即為:
f(x)=(1−3x+3x2−x3)∑n=0∞n!(−1)nx4n
- 尋找 x2025 項:
因為指數部分的次方全部都是 4 的倍數(4n),而多項式部分的次方只有 0,1,2,3。
我們要拼湊出 4n+r=2025(其中 r∈{0,1,2,3}):
- 2025÷4=506…1⟹2025=4(506)+1。
- 這說明唯一能產生 x2025 的組合是:多項式部分的 −3x(r=1 項)乘上級數部分的 n=506 項。
- 提取該項係數,即可計算出最終導數。
答題過程
展開
首先,將函數 f(x) 寫為兩部分麥克勞林展開式的乘積:
多項式展開式:
(1−x)3=1−3x+3x2−x3
指數函數麥克勞林級數:
e−x4=n=0∑∞n!(−x4)n=n=0∑∞n!(−1)nx4n
因此,函數 f(x) 可以表示為:
f(x)=(1−3x+3x2−x3)n=0∑∞n!(−1)nx4n
根據麥克勞林級數的定義, x2025 項的係數 c2025 滿足關係:
c2025=2025!f(2025)(0)⟹f(2025)(0)=2025!⋅c2025— (1)
我們從乘積展開式中尋找次數剛好為 2025 的項。次數必須滿足:
r+4n=2025,其中 r∈{0,1,2,3}, n∈N0
對 2025 進行除以 4 的餘數分析:
2025=4×506+1
這說明只有當 r=1 且 n=506 時,才能產生 x2025 次方項。
我們提取該對應項的乘積:
多項式中的 (−3x)×級數中 n=506 的項
其對應的項為:
(−3x)⋅(506!(−1)506x4(506))=−3⋅506!1x2025
由此可得 x2025 項的係數為:
c2025=−506!3
將 c2025 代回式 (1) 中,即可求得高階導數值:
f(2025)(0)=2025!⋅(−506!3)=−3⋅506!2025!
結論:
f(2025)(0)=−3⋅506!2025!。